中國科學技術大學首次檢驗無相容性漏洞的量子互文性

中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦領導的中國科學院量子信息重點實驗室在量子力學基本問題的研究中取得新進展。該實驗室李傳鋒、柳必恆、韓永建等人首次實驗檢驗了無相容性漏洞的Kochen-Specker(KS)量子互文性。該研究成果10月20日發表在《物理評論快報》上。論文第一作者是該實驗室博士生胡曉敏。

檢驗無相容性漏洞量子互文關係的實驗裝置圖

量子非局域性包括空間上的Bell非局域性和時間上的量子互文性，是量子理論的重要特性。它們既是量子理論與經典理論的主要衝突所在，也分別是量子通訊和量子計算的資源，對它們的實驗檢驗是量子力學基礎研究和量子信息研究的重要課題。特別是對它們的無漏洞檢測，一直是實驗物理學家們的重要目標，因為一旦實驗過程中存在漏洞，實驗結果就能夠用經典理論加以解釋。對於Bell非局域性的檢驗，人們已經在理論和實驗上做了大量的工作，成功封堵住一系列重要漏洞（包括探測效率漏洞、類空漏洞等），並基本實現了無漏洞的實驗檢測。KS量子互文性是指對一個高於兩維的量子系統進行相繼的兩個測量，後一個測量的結果會受到前一個測量的影響，即使這兩個測量本身是相容的。然而已有KS量子互文性的實驗檢測均存在一些漏洞，特別是量子測量的不完美所導致的相容性漏洞，使得人們甚至懷疑KS量子互文性的實驗可檢測性。因而實現無相容性漏洞的KS量子互文性的實驗檢測具有重要意義。理論研究表明，要堵上KS互文性檢測中的相容性漏洞，需要高保真度的兩粒子三維糾纏態，利用兩個粒子的空間分離來保障相容性條件。然而已有實驗方法所製備出的三維糾纏態都達不到開展這項檢測所要求的高保真度。

李傳鋒研究組創造性地採用路徑編碼的方式，通過自發參量下轉換過程實驗製備出保真度高達97.5%的兩光子三維糾纏態，該製備方法具有可擴展性，可用來製備更高維的高保真度糾纏光子對。他們進一步將兩個光子在空間上分離，從而成功地堵上了相容性漏洞，實驗結果以31個標準差違背經典理論的預言結果，支持了量子力學的預言。該成果在無漏洞量子互文性的實驗檢驗方向上邁出了重要一步。

該工作得到了科技部、國家自然科學基金委、中科院和量子信息與量子科技前沿協同創新中心的資助。

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